JP6684282B2 - Measurement of physiological parameters using wearable sensors - Google Patents
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Description
この発明は、被験者の生理学的パラメータを測定するセンサに関し、センサは使用者によって装着され得る。例えば、ウェアラブル光電脈波（ＰＰＧ）センサ、ウェアラブル心電図センサ、ウェアラブル超音波センサ、ウェアラブル心拍センサ、又はウェアラブル皮膚モニタリングセンサ。具体的には、本発明は、ウェアラブルセンサと使用者との間の接触を維持し或いはウェアラブルセンサと使用者との間の特定の分離距離を維持する、ウェアラブルセンサを含む装置に関する。 The present invention relates to a sensor for measuring a physiological parameter of a subject, which sensor can be worn by a user. For example, a wearable photoplethysmograph (PPG) sensor, a wearable electrocardiogram sensor, a wearable ultrasound sensor, a wearable heartbeat sensor, or a wearable skin monitoring sensor. Specifically, the present invention relates to a device including a wearable sensor that maintains contact between the wearable sensor and a user or maintains a particular separation distance between the wearable sensor and a user.
ウェアラブルデバイスを含む装置を用いて被験者の生理学的パラメータをモニタリングすることがますます普及してきている。そのようなデバイスを使用するのは便利である。何故ならば、それらは生理学的パラメータがモニタリングされている間に使用者についての運動の自由の増大をもたらすからである。このようにして、様々な環境において、例えば、被験者の身体活動の異なるレベルで、生理学的パラメータをモニタリングすることが可能である。 It is becoming more and more popular to monitor a subject's physiological parameters using a device that includes a wearable device. It is convenient to use such a device. Because they provide increased freedom of movement for the user while physiological parameters are being monitored. In this way, it is possible to monitor physiological parameters in different environments, for example at different levels of the subject's physical activity.
生理学的パラメータセンサは、異なる用途において異なって使用者に取り付けられてよい。センサが測定されるべきパラメータに従って異なることがあるときに被験者に対して取り付けられる生理学的パラメータセンサの位置、生理学的パラメータセンサの種類、及び／又は生理学的検知が行われる環境。幾つかの場合において、生理学的パラメータセンサは、使用者の体と接触しなければならない。他の場合において、生理学的パラメータセンサは、被験者の体から分離されなければならない。ウェアラブルセンサに関する重要な課題は、接触圧力又は生理学的パラメータセンサと使用者の体との間の分離が一定のレベルに維持されることを保証することにある。何故ならば、生理学的検知の間に得られる信号は、ウェアラブルセンサ及び使用者の相対位置によって影響を受けるからである。例えば、ＰＰＧモニタリングでは、センサ信号の最適な安定性のために、光源と皮膚との間の安定した距離が望ましい。超音波変換器パッチについては、皮膚との良好な接触が高品質画像のために絶対必要である。同様に、ＥＣＧモニタリングデバイスの電極は接触圧力に敏感である。 The physiological parameter sensor may be attached to the user differently in different applications. The position of the physiological parameter sensor attached to the subject when the sensor may differ according to the parameter to be measured, the type of physiological parameter sensor, and / or the environment in which physiological sensing occurs. In some cases, the physiological parameter sensor must contact the body of the user. In other cases, the physiological parameter sensor must be separate from the subject's body. An important issue with wearable sensors is to ensure that the separation between the contact pressure or physiological parameter sensor and the user's body is maintained at a constant level. This is because the signal obtained during physiological sensing is affected by the wearable sensor and the relative position of the user. For example, in PPG monitoring, a stable distance between the light source and the skin is desirable for optimal stability of the sensor signal. For ultrasonic transducer patches, good contact with the skin is essential for high quality images. Similarly, the electrodes of ECG monitoring devices are sensitive to contact pressure.
従って、ウェアラブルセンサを含む装置を用いて生理学的パラメータのモニタリングしている間に起こり得る１つの問題は、使用者の体に対するセンサの位置が使用者の動きの結果として変化することがあり、測定されるデータの変化をもたらすことである。ウェアラブルセンサ及び使用者の相対位置の変化をもたらす使用者の動きは、測定されるデータ中に運動アーチファクトの存在を引き起こす。運動アーチファクトをデジタル式に除去し得るが、このアプローチはウェアラブルセンサを用いて得られる測定データの品質に否定的な影響を与え得る。 Therefore, one problem that may occur during monitoring of physiological parameters with a device that includes a wearable sensor is that the position of the sensor relative to the user's body may change as a result of user movement, and It is to bring about a change in the data. The user's movements that result in changes in the wearable sensor and the relative position of the user cause the presence of motion artifacts in the measured data. Although motion artifacts can be removed digitally, this approach can negatively impact the quality of measurement data obtained with wearable sensors.
従って、高品質データを得るために作動させ得る、生理学的パラメータを測定するウェアラブルデバイスの必要がある。 Therefore, there is a need for wearable devices that measure physiological parameters that can be activated to obtain high quality data.
その必要は独立項によって定められるような本発明を用いて少なくとも部分的に取り組まれる。従属項は有利な実施態様をもたらす。 The need is at least partially addressed using the invention as defined by the independent claims. The dependent claims lead to advantageous embodiments.
本発明の特徴に従った実施例によれば、
− 被験者の生理学的パラメータを測定するセンサであって、被験者によって装着されるように構成されるセンサと、
− 被験者に対するセンサの位置を調節するために電気活性ポリマ材料部分を含むアクチュエータと、
− 生理学的パラメータセンサ及び／又は被験者の動きを測定するフィードバックセンサと、
− フィードバックセンサの測定値を処理して、フィードバックセンサの測定値に基づきセンサの位置を調節するようアクチュエータを制御するように構成される、コントローラとを含む、
ウェアラブル生理学的センサ装置、
が提供される。
According to an embodiment according to the features of the invention:
A sensor for measuring a physiological parameter of the subject, the sensor being adapted to be worn by the subject;
An actuator including a portion of electroactive polymer material to adjust the position of the sensor with respect to the subject;
A physiological parameter sensor and / or a feedback sensor for measuring the movement of the subject,
A controller configured to process the feedback sensor readings and control the actuator to adjust the position of the sensor based on the feedback sensor readings;
Wearable physiological sensor device,
Will be provided.
装置は、ウェアラブルデバイスを含み、ウェアラブルデバイスは、（生理学的パラメータセンサであってよい）センサを含み、センサは、センサを被験者に接触させることによって或いはウェアラブルデバイスさえも被験者に取り付けることによって、被験者の生理学的パラメータを測定する。被験者又は使用者は人間又は動物であってよい。フィードバックセンサを提供してパラメータを測定する。その場合、パラメータの値又はパラメータの値の変化は、生理学的パラメータセンサ及び被験者（使用者）の相対位置が変化したことを示す。フィードバックセンサは、生理学的パラメータセンサと被験者との間に接触があるか否か、及び／又は生理学的パラメータセンサと被験者との間の接触圧力、及び／又は生理学的パラメータセンサと被験者との間の距離を測定してよい。フィードバックセンサは生理学的パラメータ自体を測定するセンサによって実施されてよいことに留意のこと。フィードバックセンサの測定値はコントローラに送信される。コントローラは、フィードバックセンサの１つ又はそれよりも多くの測定値を受信し、フィードバックセンサの１つ又はそれよりも多くの測定値に基づき、センサの位置が使用者に対して変化したか否かを決定する。 The apparatus includes a wearable device, the wearable device includes a sensor (which may be a physiological parameter sensor), and the sensor is attached to the subject by contacting the sensor with the subject or even attaching the wearable device to the subject. Measure physiological parameters. The subject or user may be human or animal. A feedback sensor is provided to measure the parameter. In that case, the value of the parameter or the change in the value of the parameter indicates that the relative position of the physiological parameter sensor and the subject (user) has changed. The feedback sensor determines whether there is contact between the physiological parameter sensor and the subject, and / or the contact pressure between the physiological parameter sensor and the subject, and / or the contact between the physiological parameter sensor and the subject. The distance may be measured. Note that the feedback sensor may be implemented by a sensor that measures the physiological parameter itself. The feedback sensor measurements are sent to the controller. The controller receives one or more measurements of the feedback sensor and based on the one or more measurements of the feedback sensor whether the position of the sensor has changed with respect to the user. To decide.
生理学的パラメータを測定するセンサ及び被験者（使用者）の相対位置の変化が検出されるならば、コントローラは作動信号をアクチュエータに送信し、アクチュエータを移動させて作動設定(actuated configuration)にする。これはアクチュエータの形状又は設定が変化する設定である。アクチュエータ及び生理学的パラメータセンサは、作動設定が、被験者に対する生理学的パラメータを測定するセンサの位置の変化を引き起こすように、構成される。 If a change in the relative position of the sensor measuring the physiological parameter and the subject (user) is detected, the controller sends an actuation signal to the actuator and moves the actuator into an actuated configuration. This is a setting where the shape or setting of the actuator changes. The actuator and the physiological parameter sensor are configured such that the actuation setting causes a change in the position of the sensor that measures the physiological parameter with respect to the subject.
電気活性ポリマを用いることによって、デバイスは低い電力消費で作動することができ、従って、長期の時間期間に亘るモニタリングを小さな電力供給で可能にする。それはアクチュエータが小さく且つ軽いことも可能にするので、それが使用者に与える不快感は最小である。好ましくは、この目的のために、デバイスは電気活性ポリマをアクチュエータ内の作動材料として用いる。 By using electroactive polymers, the device can operate with low power consumption, thus allowing monitoring over long periods of time with a small power supply. It also allows the actuator to be small and light so that the discomfort it presents to the user is minimal. Preferably, for this purpose the device uses electroactive polymers as actuating material in the actuator.
フィードバックセンサは、生理学的パラメータセンサと被験者との間の接触力の変化を測定するように構成されてよい。使用中、フィードバックセンサは、生理学的パラメータセンサと使用者の体との間に位置付けられてよい。アクチュエータは、センサと被験者との間の接触圧力を調節するように配置されてよく、コントローラは、測定される動きに従って、アクチュエータを用いて、被験者との生理学的パラメータセンサの接触を調節してよい。 The feedback sensor may be configured to measure changes in contact force between the physiological parameter sensor and the subject. During use, the feedback sensor may be positioned between the physiological parameter sensor and the body of the user. The actuator may be arranged to adjust the contact pressure between the sensor and the subject, and the controller may adjust the contact of the physiological parameter sensor with the subject according to the measured movement. .
装置は、生理学的パラメータセンサに配置される結合部材を更に含んでよい。結合部材は、使用中の生理学的パラメータセンサと被験者との間に配置されてよい。このようにして、パラメータセンサを使用者の体からの所望の距離に位置付け得る。何故ならば、結合部材は、生理学的パラメータセンサを使用者の体から分離するスペーサとしての機能を果たすからである。その場合には、使用中に生理学的パラメータセンサを使用者の体から特定の距離に維持し得る。 The device may further include a coupling member disposed on the physiological parameter sensor. The coupling member may be located between the physiological parameter sensor in use and the subject. In this way, the parameter sensor can be positioned at the desired distance from the user's body. This is because the coupling member functions as a spacer that separates the physiological parameter sensor from the user's body. In that case, the physiological parameter sensor may be maintained at a certain distance from the user's body during use.
フィードバックセンサは、生理学的パラメータセンサと被験者との間の距離、即ち、生理学的パラメータセンサ及び被験者を分離する距離の変化を測定するように構成されてよい。例えば、分離距離は、被験者の体と生理学的パラメータセンサ上の基準地点との間の距離であってよい。他の実施例において、分離距離は、被験者の体と生理学的パラメータセンサとの間の最短距離であってよい。代替的に、フィードバックセンサは、被験者に対するパラメータセンサの変位（分離距離の変化）を測定するように構成されてよい。 The feedback sensor may be configured to measure a change in the distance between the physiological parameter sensor and the subject, ie the distance separating the physiological parameter sensor and the subject. For example, the separation distance may be the distance between the subject's body and a reference point on the physiological parameter sensor. In another example, the separation distance may be the shortest distance between the subject's body and the physiological parameter sensor. Alternatively, the feedback sensor may be configured to measure the displacement (change in separation distance) of the parametric sensor with respect to the subject.
生理学的パラメータセンサは、内部領域を定める壁を有するハウジングと、ハウジングの内部領域の内側に配置されるセンサ要素とを含んでよく、フィードバックセンサは、被験者に対するハウジングの動きを測定するように構成される。ハウジングの位置の変化は、センサ要素によって測定されるパラメータを変化させることがあり、それは生理学的パラメータセンサが使用者に対して動いたことを示す。 The physiological parameter sensor may include a housing having a wall defining an interior area and a sensor element disposed inside the interior area of the housing, the feedback sensor configured to measure movement of the housing relative to the subject. It Changes in the position of the housing may change the parameter measured by the sensor element, which indicates that the physiological parameter sensor has moved relative to the user.
生理学的パラメータセンサは、フィードバックセンサを含んでよく、コントローラは、生理学的パラメータセンサからの信号を処理して、生理学的パラメータセンサの信号に基づきアクチュエータの位置を調節するように、構成されてよい。生理学的パラメータセンサは、生理学的パラメータを測定するためにあり且つ生理学的パラメータセンサ及び／又は被験者の動きを測定するためにあるセンサ要素を含んでよい。 The physiological parameter sensor may include a feedback sensor and the controller may be configured to process a signal from the physiological parameter sensor and adjust the position of the actuator based on the signal of the physiological parameter sensor. The physiological parameter sensor may include a sensor element for measuring a physiological parameter and / or for measuring movement of the subject.
生理学的パラメータセンサは、内部領域を定める壁を有するハウジングと、ハウジングの内部領域内に配置される光源と、ハウジングの内部領域の内側に配置される光センサとを含んでよく、コントローラは、光センサからの信号を処理して、光センサの信号に基づきアクチュエータの位置を調節するように、構成される。 The physiological parameter sensor may include a housing having a wall defining an interior region, a light source located within the interior region of the housing, and a photosensor located inside the interior region of the housing, and the controller is It is configured to process the signal from the sensor and adjust the position of the actuator based on the signal of the photosensor.
装置は、ハウジングの外側に配置される外部光センサを更に含んでよく、コントローラは、外部光センサの信号を処理して、生理学的パラメータセンサの光センサ及び外部光センサの光信号に基づきアクチュエータの位置を調節するように、構成される。コントローラは、外部センサの光信号及び生理学的パラメータセンサの光センサの光信号の差に基づきアクチュエータの位置を調節するように構成されてよい。例えば、外部光センサは、周囲照明状態を測定してよく、コントローラは、生理学的パラメータセンサの光センサの光信号の変化を外部光センサの光信号と比較するように構成されてよい。このようにして、コントローラは、他の原因に起因するものからの皮膚接触の分断の結果として光強度変化を識別してよい。 The apparatus may further include an external light sensor located outside the housing, and the controller processes the signal of the external light sensor to sense the light signal of the physiological parameter sensor and the light signal of the external light sensor based on the actuator. Configured to adjust position. The controller may be configured to adjust the position of the actuator based on the difference between the optical signal of the external sensor and the optical signal of the physiological parameter sensor. For example, the external light sensor may measure ambient lighting conditions and the controller may be configured to compare the change in the light signal of the light sensor of the physiological parameter sensor to the light signal of the external light sensor. In this way, the controller may identify light intensity changes as a result of the disruption of skin contact from those due to other causes.
装置は、信号生成器と、検出器とを更に含んでよく、
信号生成器は、
− 第１の周波数を有する、検知における使用のための、第１の電気的なＡＣ信号を生成し、
− 第２の周波数を有する、作動における使用のための、第２の電気的なＡＣ信号を生成し、
− 第１の電気信号をセンサに適用し、
− 第２の電気信号をアクチュエータに適用する
ように構成され、
第２の周波数は、第１の周波数と実質的に同じであり、
検出器は、第２の電気信号に対する第１の電気新語運お変化を検出する。
The device may further include a signal generator and a detector,
The signal generator is
Producing a first electrical AC signal for use in sensing, having a first frequency,
Generate a second electrical AC signal for use in operation, having a second frequency,
Applying a first electrical signal to the sensor,
-Configured to apply a second electrical signal to the actuator,
The second frequency is substantially the same as the first frequency,
The detector detects a first electrical new word change to the second electrical signal.
生理学的パラメータセンサの動きは、第１の信号の振幅に影響を及ぼすことがある。例えば、生理学的パラメータセンサが使用者との接触を喪失するならば、これは振幅変化が第１の信号中に存在するようにさせる。検出器を用いて第１の信号の変化、具体的には、第２の信号の周波数で起こる変化を比較することによって、第１の信号の変化をモニタリングして、生理学的パラメータセンサの動きが起こるときを特定することが可能である。 Movement of the physiological parameter sensor may affect the amplitude of the first signal. For example, if the physiological parameter sensor loses contact with the user, this causes an amplitude change to be present in the first signal. The change in the first signal is monitored by comparing the change in the first signal, in particular the change occurring in the frequency of the second signal, with the detector, and the movement of the physiological parameter sensor is monitored. It is possible to identify when it will happen.
アクチュエータは、ＥＡＰ部分に配置されるひずみ感応電極部分を更に含んでよく、ウェアラブルセンサ装置は、
− アクチュエータのＥＡＰ部分に第１の電圧を印加するように配置される第１の電圧源と、
− アクチュエータのひずみ感応電極部分に第２の電圧を印加するように配置される第２の電圧源とを更に含み、
コントローラは、ひずみ感応電極の抵抗力の変化を測定して、測定される抵抗力の変化に基づきアクチュエータの位置を緒節するように、構成される。
The actuator may further include a strain sensitive electrode portion disposed on the EAP portion, the wearable sensor device comprising:
A first voltage source arranged to apply a first voltage to the EAP portion of the actuator;
A second voltage source arranged to apply a second voltage to the strain sensitive electrode portion of the actuator;
The controller is configured to measure a change in resistance of the strain sensitive electrode and to coordinate the position of the actuator based on the measured change in resistance.
生理学的パラメータセンサは、ハウジングを含んでよく、アクチュエータは、コントローラからの作動信号に応答してハウジングに力を加えるように構成される。使用中、アクチュエータの形状を変更してハウジングを動かし、それにより、生理学的パラメータセンサを動かすことによって、生理学的パラメータセンサ及び使用者の相対位置を調節し得る。 The physiological parameter sensor may include a housing and the actuator is configured to apply a force to the housing in response to an actuation signal from the controller. During use, the shape of the actuator may be changed to move the housing, thereby moving the physiological parameter sensor to adjust the relative position of the physiological parameter sensor and the user.
本発明の他の特徴によれば、上で定められるようなウェアラブルセンサ装置を用いて生理学的パラメータを測定する方法であって、
（ｉ）フィードバックセンサを用いて信号を得るステップと、
（ｉｉ）フィードバックセンサの信号に基づき、生理学的パラメータセンサが被験者に対して動いたか否かを決定するステップと、
（ｉｉｉ）生理学的パラメータセンサが被験者に対して動いたならば、アクチュエータの位置を調節するステップとを含む、
方法、
が提供される。
According to another feature of the invention, a method of measuring a physiological parameter using a wearable sensor device as defined above, comprising:
(I) obtaining a signal using a feedback sensor,
(Ii) determining whether the physiological parameter sensor has moved with respect to the subject based on the signal of the feedback sensor;
(Iii) adjusting the position of the actuator if the physiological parameter sensor has moved with respect to the subject.
Method,
Will be provided.
コントローラは、フィードバックセンサの測定値が、生理学的パラメータセンサの動きに対応するパラメータ（例えば、接触、接触圧力又は分離距離を示す、パラメータ）が変化したことを示すならば、生理学的パラメータセンサが動いたことを決定してよい。アクチュエータの位置を調節することによって、生理学的パラメータセンサの位置又は設定が調節されてよい。代替的に、被験者と生理学的パラメータセンサとの間の接触圧力が調節されてよい。この方法を用いるならば、被験者が測定プロセス中に動くとしても、ウェアラブルデバイスを用いて被験者の生理学的パラメータを測定して、高品質データを得ることが可能である。 The controller moves the physiological parameter sensor if the feedback sensor measurement indicates that the parameter corresponding to the movement of the physiological parameter sensor has changed (eg, a parameter indicative of contact, contact pressure or separation distance). You may decide that. By adjusting the position of the actuator, the position or setting of the physiological parameter sensor may be adjusted. Alternatively, the contact pressure between the subject and the physiological parameter sensor may be adjusted. Using this method, a wearable device can be used to measure a subject's physiological parameters to obtain high quality data, even if the subject moves during the measurement process.
ステップ（ｉｉ）は、接触圧力の測定値を接触圧力についての基準値と比較するステップを含んでよい。このようにして、現時点の接触圧力は、生理学的パラメータセンサを用いて生理学的パラメータの測定を実施するのに必要な又は最適な接触圧力である所望の接触圧力と比較される。接触圧力が基準接触圧力と異なるならば、これは生理学的パラメータセンサが動いたこと及び比較ステップが行われる必要がある場合があることを示す。 Step (ii) may include comparing the contact pressure measurement with a reference value for contact pressure. In this way, the current contact pressure is compared to the desired contact pressure, which is the contact pressure necessary or optimal for performing the measurement of the physiological parameter with the physiological parameter sensor. If the contact pressure differs from the reference contact pressure, this indicates that the physiological parameter sensor has moved and that the comparison step may need to be performed.
ステップ（ｉｉ）は、測定される分離距離を基準分離距離と比較することを含んでよい。生理学的パラメータセンサ（例えば、ハウジング又はセンサ要素）の分離距離は、生理学的パラメータセンサを用いて生理学的パラメータの測定を行うのに必要な又は最適な分離距離である所望の分離距離と比較される。分離距離が基準分離距離と異なるならば、これは生理学的分離距離が変化したこと及び比較ステップが行われる必要がある場合がある（即ち、アクチュエータが動かされるべき）ことを示す。 Step (ii) may include comparing the measured separation distance with a reference separation distance. The separation distance of the physiological parameter sensor (eg, housing or sensor element) is compared to a desired separation distance that is the necessary or optimal separation distance for making measurements of physiological parameters using the physiological parameter sensor. . If the separation distance differs from the reference separation distance, this indicates that the physiological separation distance has changed and that the comparison step may need to be performed (ie the actuator should be moved).
アクチュエータは、生理学的パラメータセンサと直接的に接触するように調節されてよい。このようにして、被験者に対する生理学的パラメータセンサの動きは補償される。何故ならば、アクチュエータは、生理学的パラメータセンサに力を加えて、生理学的パラメータセンサを、生理学的パラメータセンサが被験者の動きによって妨害される前に生理学的パラメータセンサがあった位置に、戻させるからである。 The actuator may be adjusted for direct contact with the physiological parameter sensor. In this way, movement of the physiological parameter sensor with respect to the subject is compensated. Because the actuator exerts a force on the physiological parameter sensor to return it to the position where it was before it was disturbed by the subject's movement. Is.
方法は、更に、
（ｉｖ）第１の周波数を有する第１のＡＣ信号をアクチュエータに適用するステップと、
（ｖ）第２の周波数を有する第２のＡＣ信号を生理学的パラメータセンサに適用するステップであって、第２の周波数は第１の周波数と同じであるステップと
（ｖｉ）第１のＡＣ信号及び第２のＡＣ信号を比較してセンサが動いたか否かを決定するステップとを含んでよい。
The method is
(Iv) applying a first AC signal having a first frequency to the actuator;
(V) applying a second AC signal having a second frequency to the physiological parameter sensor, the second frequency being the same as the first frequency; and (vi) the first AC signal. And comparing the second AC signal to determine if the sensor has moved.
生理学的パラメータセンサの動きは、第２の信号における変化を引き起こす。従って、第１の信号が第２の信号と比較されるとき、生理学的パラメータセンサが動き始める地点を正確に計算することが可能である。次に、この情報を用いて、生理学的パラメータセンサの動きを補償するのに必要とされる作動信号の大きさを計算し得る。 Movement of the physiological parameter sensor causes a change in the second signal. Therefore, when the first signal is compared to the second signal, it is possible to accurately calculate the point at which the physiological parameter sensor begins to move. This information can then be used to calculate the magnitude of the actuation signal needed to compensate for the movement of the physiological parameter sensor.
次に、添付の図面を参照して、本発明の実施例を詳細に記載する。 Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１は、本発明の実施例に従った装置１を例示する概略的なブロック図である。本発明は、被験者によって装着されるように構成される生理学的パラメータセンサ３と、被験者２に対する生理学的パラメータセンサ３の位置を調節する、電気活性ポリマ(electro active polymer)材料を含む、アクチュエータ５と、被験者に対する生理学的パラメータセンサの動きを測定するフィードバックセンサ７と、フィードバックセンサ７の測定を処理して、フィードバックセンサ７からの情報に基づきアクチュエータ５の位置を調節するように構成される、コントローラ９とを含む、装置１を提供する。
FIG. 1 is a schematic block diagram illustrating a device 1 according to an embodiment of the invention. The present invention comprises a
フィードバックセンサ７は、使用者の体２に対する生理学的パラメータセンサ３の相対的な動きを検出するように配置される。例えば、フィードバックセンサ７は、生理学的パラメータユニットが被験者と接触しているか否かを検出するよう配置される接触センサであってよい。例えば、フィードバックセンサは、光センサ又は電気抵抗を測定するセンサであってよい。代替的に、フィードバックセンサは、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体との間の接触圧力を測定するよう配置される、圧力センサであってよい。何故ならば、接触圧力の変化は、生理学的パラメータセンサ及び体の相対位置が変化したことを示すからである。フィードバックセンサは、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体との間の距離を測定することができてよく、或いは被験者に対する生理学的パラメータセンサ３の変位を測定するためであってよい。
The
フィードバックセンサは、例えば、容量センサであってよい。これは、使用中に生理学的パラメータセンサ３が使用者の体から最適な分離距離にあるよう、使用者が装置１を較正するのを可能にする。初期的な分離位置がひとたび構築されると、分離距離のあらゆる変化がフィードバックセンサ７によって測定され、コントローラ９はその変化を補償するようアクチュエータ５を制御する。このようにして、生理学的パラメータ測定値が取られている間に、たとえ使用者が動いているとしても、生理学的パラメータセンサ３は、使用中に所望の分離距離に維持される。
The feedback sensor may be, for example, a capacitive sensor. This allows the user to calibrate the device 1 so that the
フィードバックセンサ７は、接触、接触圧力、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体との間の分離距離についての情報を備えるフィードバック信号６をコントローラ９に送信し、コントローラ９は、フィードバック信号６を処理して、生理学的パラメータセンサ３の位置が使用者の体に対して動いたか否かを決定する。位置の変化が検出されるならば、コントローラ９は、作動信号８をアクチュエータ５に送信して、アクチュエータ５の位置を調節する。コントローラ９は、生理学的パラメータセンサ３及び使用者の体の相対的な位置の変化を補償するために必要とされる信号を計算し、この信号をアクチュエータ５に送信してよい。例えば、コントローラ９は、生理学的パラメータセンサ３及び使用者の体の相対位置の検出される変化を補償するために必要とされるアクチュエータ５の形状の変化に対応する振幅を有するＤＣ信号を送信してよい。代替的に、コントローラ９は、接触又は所望の距離の分離が再構築されるまで、アクチュエータ５の位置の小さな変化に対応する信号を反復的に送信してよい。
The
装置１は、被験者の生理学的パラメータを測定する単一のユニット又はデバイスを含んでよく、デバイスは、被験者によって装着され或いは支持される。代替的な実施例において、コントローラ９（又はコントローラ９によって遂行される機能）は、（例えば、被験者の体の異なる部分で装着されるユニット内で、被験者の家に位置付けられ得るベースユニット又はコンピュータ内で、或いはヘルスケアサービスプロバイダの構内に配置される遠隔サーバ内で）生理学的パラメータセンサ３、フィードバックセンサ７及びアクチュエータ５から遠隔に位置付けられ得る。その場合、装置１は、（図１に示されるものと類似する）被験者によって装着されるべきセンサユニットを含み、装置１は、遠隔ユニット内のコントローラに測定値を送信するための適切な送信器、送受信器又は通信回路構成を含む。いずれの実施例においても、装置１は、測定される生理学的パラメータを被験者又は臨床医に示すために用い得る（それら自体が装置１の部分であり得る或いは装置１と別個であり得る）ディスプレイ又は他の視覚的表示器を含む、モニタリングシステムの部分であり得る。
The apparatus 1 may include a single unit or device that measures a physiological parameter of a subject, the device being worn or supported by the subject. In an alternative embodiment, the controller 9 (or the function performed by the controller 9) is a base unit or computer that may be located in the subject's home (eg, in a unit worn on a different part of the subject's body). Can be located remotely from the
生理学的パラメータセンサ３は、光センサ、超音波センサ、ＥＣＧセンサ、又は生理学的パラメータを測定する任意の他の種類のセンサであってよい。装置１、生理学的パラメータセンサ３及びアクチュエータ５の具体的な構成は、生理学的パラメータセンサ３及びアクチュエータ５の性質に依存する。
The
この装置１を用いるならば、被験者が動いている間に被験者の生理学的パラメータを測定することが可能である。何故ならば、被験者の動きに起因する干渉がフィードバックセンサ／アクチュエータ配置によって低減されるからである。生理学的パラメータセンサ３の動きはフィードバックセンサ７によって検知され、アクチュエータ５を用いて補償される。
With this device 1, it is possible to measure a subject's physiological parameters while the subject is in motion. This is because the interference caused by the subject's movement is reduced by the feedback sensor / actuator arrangement. The movement of the
アクチュエータ５は、電気駆動信号を物理的な動きに変換する電気活性ポリマ材料の部分を含む。アクチュエータは、この適用において安定化のための十分な変位をもたらしながら、小さなフットプリントも有する。
ＥＡＰｓの利点は、低電力、小さなフォームファクタ、フレキシビリティ、雑音のない動作、正確性、高分解能(high resolution)の可能性、素早い応答時間、周期的な作動、及び０〜１ＭＨｚのような、最も典型的には２０ｋＨｚより下の、大きな範囲の可能な作動周波数を含む。 The advantages of EAPs are low power, small form factor, flexibility, noise-free operation, accuracy, high resolution potential, fast response time, periodic operation, and 0 ~ 1MHz. It includes a large range of possible operating frequencies, most typically below 20 kHz.
更に、ＥＡＰｓを様々な形状に容易に製造し得る。よって、電気活性ポリマ材料を（衣服、時計又はパッチのような）ウェアラブル装置１に容易に統合し得る。それらを作動させるのに必要な電力は僅かであり、それはそれらを携帯用途に特に適したものにさせ、それらの小さなサイズは、圧力が生理学的パラメータセンサ３に適用されるときに、肢(limb)又は指(digit)内の全体的な血液流が目に付くほど影響されないことを意味する。 Furthermore, EAPs can be easily manufactured in various shapes. Thus, the electroactive polymer material can be easily integrated into the wearable device 1 (such as a garment, watch or patch). The power required to operate them is low, which makes them particularly suitable for portable applications, and their small size makes them limb when pressure is applied to the physiological parameter sensor 3. ) Or the overall blood flow in the digit is not noticeably affected.
ＥＰＡ部分を含むアクチュエータの使用は、一般的なアクチュエータと比べて小さな容積又は薄いフォームファクタの比較的大きな変形及び力の組み合わせの故に、従来的な装置に対する大きな利点をもたらす機能を可能にする。 The use of an actuator that includes an EPA portion enables features that offer significant advantages over conventional devices due to the relatively large deformation and force combination of the small volume or thin form factor compared to conventional actuators.
電気活性ポリマを用いるデバイスを磁場駆動(field-driven)材料及びイオン駆動(ionic-driven)材料に細分し得る。 Devices using electroactive polymers can be subdivided into field-driven and ionic-driven materials.
磁場駆動ＥＡＰｓの例は、圧電ポリマ、（ＰＶＤＦベースのリラクサポリマのような）電歪ポリマ及び誘電エラストマを含む。他の例は、電歪グラフトポリマ、電歪ペーパー、エレクトレット、電気粘性弾性エラストマ及び液晶エラストマを含む。 Examples of magnetic field driven EAPs include piezoelectric polymers, electrostrictive polymers (such as PVDF-based relaxor polymers) and dielectric elastomers. Other examples include electrostrictive graft polymers, electrostrictive papers, electrets, electrorheological elastomers and liquid crystal elastomers.
イオン駆動ＥＡＰｓの例は、共役／導電性ポリマ、イオンポリマ金属複合物（ＩＰＭＣ）及びカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）である。他の例は、イオンポリマゲルを含む。 Examples of ion-driven EAPs are conjugated / conducting polymers, ionic polymer metal composites (IPMC) and carbon nanotubes (CNTs). Other examples include ionic polymer gels.
磁場駆動ＥＡＰｓは、直接電磁結合を通じた電場によって作動させられる。それらは、普通、高磁場（メートル毎ボルト）を必要とするが、低電流を必要とする。ポリマ層は、普通、駆動電圧を可能な限り低く維持するために薄い。イオン駆動ＥＡＰｓは、イオン及び／又は溶剤の電気誘導輸送によって活性化される。普通、それらは低電圧を必要とするが、高電流を必要とする。それらは液体／ゲル電解質媒体を必要とする（しかしながら、固体電解質を用いても幾らかの材料系を作動させ得る）。ＥＡＰの両方の種類(classes)は、多数の族構成要素(family member)を有し、各々の属構成要素は、それらの独自の利点及び不利点を有する、 Magnetic field driven EAPs are activated by an electric field through direct electromagnetic coupling. They usually require high magnetic fields (meters per volt), but low currents. The polymer layer is usually thin to keep the drive voltage as low as possible. Ion-driven EAPs are activated by electrically induced transport of ions and / or solvents. Usually, they require low voltage but high current. They require a liquid / gel electrolyte medium (however, solid electrolytes can also be used to operate some material systems). Both classes of EAP have a large number of family members, each genus member having their own advantages and disadvantages,
磁場駆動ＥＡＰｓの第１の注目に値する下位分類(subclass)は、圧電ポリマ及び電歪ポリマである。従来的な圧電ポリマの電気機械性能は限定的であるが、この性能の改良におけるブレークスルー（突破口）はＰＶＤＦリラクサポリマをもたらし、それは自発的な電気分極（磁場駆動アライメント）を示す。ひずみ方向(strained direction)における性能向上のために、これらの材料を予めひずませることができる（事前ひずみ(pre-strain)は、より良好な分子アライメントをもたらす）。通常、金属電極が用いられる。何故ならば、ひずみは、普通、適度なレジーム(moderate regime)(１〜５％）内にあるからである。（導電性ポリマ、カーボンブラックベースの油、ゲル又はエラストマ等）のような他の種類の電極も用い得る。電極は連続的であり得るし或いはセグメント化され得る。 The first notable subclass of magnetic field driven EAPs are piezoelectric and electrostrictive polymers. Although the electromechanical performance of conventional piezoelectric polymers is limited, breakthroughs in improving this performance lead to PVDF relaxor polymers, which exhibit spontaneous electrical polarization (field driven alignment). These materials can be pre-distorted for improved performance in the strained direction (pre-strain results in better molecular alignment). Usually, a metal electrode is used. This is because the strain is usually in a moderate regime (1-5%). Other types of electrodes may also be used (such as conductive polymers, carbon black based oils, gels or elastomers, etc.). The electrodes can be continuous or segmented.
磁場駆動ＥＡＰｓの他の関心の下位分類は、誘電エラストマである。この材料の薄膜は、コンプライアント電極(compliant electrodes)の間に挟装されてよく、平行な平板コンデンサ(plate capacitor)を形成する。誘電エラストマの場合、印加される電場によって誘発されるマクスウェル応力(Maxwell stress)は、膜の上に応力をもたらし、膜の厚みを収縮させ、膜の面積を膨張させる。ひずみ性能は、典型的に、エラストマを事前にひずませることによって拡大される（事前ひずみを保持することをフレームに要求する）。ひずみは相当であり得る（１０〜３００％）。これは用い得る電極の種類も制約する。即ち、低いひずみ及び適度のひずみについて、金属電極及び導電性ポリマ電極を考慮し得る。高いひずみレジームについて、典型的には、カーボンブラックベースの油、ゲル又はエラストマが用いられる。電極は連続的であり得るし或いはセグメント化され得る。 Another subclass of interest in magnetic field driven EAPs is dielectric elastomers. A thin film of this material may be sandwiched between compliant electrodes to form parallel plate capacitors. In the case of dielectric elastomers, Maxwell stress induced by an applied electric field causes stress on the film, causing it to contract in thickness and expand in film area. Strain performance is typically extended by predistorting the elastomer (requiring the frame to retain the prestrain). The strain can be considerable (10-300%). This also limits the types of electrodes that can be used. That is, metal electrodes and conductive polymer electrodes may be considered for low and moderate strains. For high strain regimes, carbon black based oils, gels or elastomers are typically used. The electrodes can be continuous or segmented.
イオンＥＰＡｓの第１の注目に値する下位分類は、イオンポリマ金属複合物（ＩＰＭＣｓ）である。ＩＰＭＣｓは、２つの薄い金属又はカーボンベースの電極の間に積層される溶剤膨潤イオン交換ポリマ膜で構成され、電解質の使用を必要とする。典型的な電極材料は、Ｐｔ、Ｇｄ、ＣＮＴｓ、ＣＰｓ、Ｐｄである。典型的な電解質は、Ｌｉ＋及びＮａ＋水性溶剤である。電場が印加されるとき、典型的には、陽イオンが水と共にカソード側に進む。これは親水性クラスタの再組織化(reorganization)をもたらし、ポリマ膨張をもたらす。カソードにおけるひずみはポリママトリクスの残余における応力をもたらし、アノードに向かう曲げを引き起こす。印加される電圧を逆転させることは曲げを逆にする。周知のポリマ膜はＮａｆｉｏｎ（登録商標）及びＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）である。 The first notable subclass of ionic EPAs is ionic polymer metal composites (IPMCs). IPMCs are composed of solvent swollen ion exchange polymer membranes laminated between two thin metal or carbon based electrodes and require the use of electrolytes. Typical electrode materials are Pt, Gd, CNTs, CPs, Pd. Typical electrolytes are Li + and Na + aqueous solvents. When an electric field is applied, cations typically travel with the water to the cathode side. This results in the reorganization of hydrophilic clusters, leading to polymer swelling. Strain at the cathode causes stress in the rest of the polymer matrix, causing bending towards the anode. Reversing the applied voltage reverses the bend. Well-known polymer membranes are Nafion® and Flemion®.
イオンポリマの他の注目に値する下位分類は、共役／導電性ポリマである。共役ポリマアクチュエータは、典型的に、共役ポリマの２つの層によって挟装される電解質で構成される。電解質は、酸化状態を変更するために用いられる。電解質を通じて電位がポリマに印加されるとき、電子がポリマに加えられ或いは電子がポリマから取り除かれ、酸化及び還元に至らせる。還元は収縮を招き、酸化は膨張を招く。 Another notable subclass of ionic polymers are the conjugated / conductive polymers. Conjugated polymer actuators typically consist of an electrolyte sandwiched by two layers of conjugated polymers. The electrolyte is used to change the oxidation state. When a potential is applied to the polymer through the electrolyte, electrons are added to or removed from the polymer, leading to oxidation and reduction. Reduction causes contraction, and oxidation causes expansion.
幾つかの場合、ポリマ自体が（寸法方向に）十分な導電性を欠くとき、薄膜電極が加えられる。電解質は、液体、ゲル又は固体材料（即ち、高分子重量ポリマ及び金属塩の複合体）であり得る。最も一般的な共役ポリマは、ポリピロール（ＰＰｙ）、ポリアニリン（ＰＡＮｉ）及びポリチオフェン（ＰＴｈ）である。 In some cases, thin film electrodes are added when the polymer itself lacks sufficient conductivity (in the dimension). The electrolyte can be a liquid, gel or solid material (ie, a complex of high molecular weight polymer and metal salt). The most common conjugated polymers are polypyrrole (PPy), polyaniline (PANi) and polythiophene (PTh).
アクチュエータは、電解質内に懸濁されたカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）で形成されてもよい。電解質はナノチューブと二重層を形成し、電荷の注入(injection of charge)を可能にする。この二重層電荷注入は、ＣＮＴアクチュエータにおける主要機構と考えられる。ＣＮＴは電荷がＣＮＴ内に注入された電極コンデンサとして作用し、次に、それはＣＮＴ表面への電解質の移動によって形成される電気二重層によって均衡させられる。カーボン原子で電荷を変更することは、Ｃ−Ｃ結合長さ(C-C bond length)の変化をもたらす。結果的に、単一のＣＮＴの膨張及び収縮を観察し得る。 The actuator may be formed of carbon nanotubes (CNTs) suspended in an electrolyte. The electrolyte forms a double layer with the nanotubes, allowing the injection of charge. This double layer charge injection is considered to be the main mechanism in CNT actuators. The CNTs act as an electrode capacitor with charge injected into the CNTs, which is then balanced by the electric double layer formed by the migration of the electrolyte to the CNT surface. Altering the charge on the carbon atom results in a change in the C-C bond length. Consequently, the expansion and contraction of a single CNT can be observed.
図２ａ及び２ｂは、ＥＡＰデバイスについての２つの可能な動作モードを示している。 2a and 2b show two possible modes of operation for EAP devices.
デバイスは、電気活性ポリマ層１０を含み、電気活性ポリマ層１０は、電気活性ポリマ層１０の両側の電極１１，１３の間に挟装されている。
The device includes an
図２ａは、クランプされていないデバイスを示している。電圧を用いて電気活性ポリマ層を全ての方向に膨張させる。 Figure 2a shows an unclamped device. A voltage is used to expand the electroactive polymer layer in all directions.
図２ｂは、膨張領域が１つの方向においてのみ起こる設計されたデバイスを示している。デバイスはキャリア層１７によって支持されている。電圧を用いて、電気活性ポリマ１０に形状を変更させる、例えば、湾曲させ或いは曲げさせる。
FIG. 2b shows a designed device in which the expansion region only occurs in one direction. The device is supported by the
この動きの性質は、例えば、能動層１０と受動キャリア層１７との間の相互作用から生じる。図示のような軸の周りの非対称的な湾曲を得るために、例えば、分子向き（膜伸張）を適用して、１つの方向における動きを強制してよい。
The nature of this movement results, for example, from the interaction between the
１つの方向における膨張は、ＥＡＰの非対称性に起因することがあり、キャリア層の特性における非対称性に起因することがあり、或いは両方の組み合わせであることがある。 Expansion in one direction may be due to asymmetry in EAP, may be due to asymmetry in the properties of the carrier layer, or a combination of both.
一般的に、図３、４、５、９及び１０に示すように、生理学的パラメータセンサは、ハウジング２０と、ハウジングの内側のセンサ要素１２とを含み、センサ要素１２は、生理学的パラメータを測定するためにある。
Generally, as shown in FIGS. 3, 4, 5, 9 and 10, a physiological parameter sensor includes a
幾つかの実施態様では、図３、４、５、９及び１０に示すように、アクチュエータ５は、コントローラ９からの信号がアクチュエータ５を曲げさせるときに、アクチュエータ５が生理学的パラメータセンサ３の部分を押し下げ、それを使用者の体に向かって押すように、構成される。例えば、図３、４、９及び１０は、アクチュエータが生理学的パラメータセンサ３のセンサ要素１２に力を加えるように構成される、実施例を示している。図５は、異なる種類の構成を有する他の実施例を示しており、その実施例では、アクチュエータは、生理学的パラメータセンサのハウジング２０に対して力を加えるように構成されている。
In some embodiments, as shown in FIGS. 3, 4, 5, 9, and 10, the
代替的な実施例において、アクチュエータ５は、コントローラ９からの信号に応答するアクチュエータ５の位置の変化が、生理学的パラメータセンサ３のハウジングの内側に小さな真空を形成させ、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体との間の接触圧力を増大させるように、構成される。この種類の構成は、図１０ａ及び１０ｂに示されている。
In an alternative embodiment, the
次に、様々な実施例をより詳細に記載する。 Various embodiments will now be described in more detail.
図３は、フィードバックセンサ７が、生理学的パラメータセンサ３と被験者２との間の接触圧力又は生理学的パラメータセンサ３と被験者２との間の分離距離を測定する、実施例を示している。
FIG. 3 shows an embodiment in which the
生理学的パラメータセンサ３は、心拍若しくは（心拍変動等のような）心拍に関連するパラメータ及び／又は血液酸素飽和（ＳｐＯ２）を測定するためにあり得る。前者の場合、生理学的パラメータセンサ３は、光電脈波（ＰＰＧ）センサであり得る。そして、前者又は後者の場合、生理学的パラメータセンサ３は、ＳｐＯ２センサであり得る。
The
生理学的パラメータセンサ３は、使用者の体部分に取り付けられるように構成される。例えば、生理学的パラメータセンサは、ストラップ４を用いて、使用者の腕に取り付けられてよい。生理学的パラメータセンサ３は、使用者の体とインターフェース接続する(interface)ように構成されるハウジング２０と、光源１４（例えば、ＬＥＤ）と、光を測定するセンサ要素１２とを含む。
The
例示的な非限定的な実施において、光源１４は、５００〜６００ｎｍの範囲内の波長にある光を発する緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）（又は６００〜７００ｎｍの範囲内の波長にある光を発する赤色ＬＥＤ）であり得る。そして、光検出器又は他の種類の光源１２は、１０００ｎｍより下の波長にある光に対して敏感（感応的）であり得る。その上、当業者によって理解されるように、ＳｐＯ２センサは、複数の光源１４と、光源１４によって発せられる光の波長に少なくとも敏感である少なくとも１つの光センサ１２とを含む。複数の光源１４は、例えば、８００〜１０００ｎｍの範囲内の波長にある光を発する近赤外線ＬＥＤと、６００〜７００ｎｍの範囲内の波長にある光を発する赤色ＬＥＤとを含み得る。光センサ１２は、１０００ｎｍより下の波長にある光に敏感であり得る（しかしながら、代替的に、８００〜１０００ｎｍ及び６００〜７００ｎｍの範囲内の光にそれぞれ敏感である別個の光センサ１２を設け得る）。
In an exemplary, non-limiting implementation, the
代替的な実施例において、生理学的パラメータセンサ３は、使用中に被験者と接触するように配置される電極を含むＥＣＧセンサ又はハウジング内に配置される変換器（トランスデューサ）を含む超音波センサであり得る。
In an alternative embodiment, the
代替的な実施例において、生理学的パラメータセンサ３は、例えば、レーザドップラ(laser Doppler)、レーザスペックル速度測定(laser speckle velocimetry)、近赤外線分光法(near-infrared spectroscopy)及び微小循環顕微鏡検査法(microcirculation microscopy)に基づくような、被験者とセンサ要素１２との間の接触の質に敏感な他の種類の光ベースのセンサであり得る。
In alternative embodiments,
装置は、アクチュエータ５を含み、アクチュエータ５は、電気活性ポリマ材料で作られ、使用中にアクチュエータ５の位置の調節がセンサ要素１２と使用者の体との間の距離の変化をもたらすような方法において生理学的パラメータセンサ３に対して配置される。アクチュエータ５は、コントローラ９からの信号に応答して生理学的パラメータセンサ３のセンサ要素１２に力を加えるように構成される。この実施例において、アクチュエータ５は、ハウジング２０の対向する壁の間で水平に延びるハウジング２０の屋根部分に対して内部的に位置付けられる。使用中、アクチュエータ５が移動させられて作動設定になるとき、光センサ１２及び光源１４は、被験者に向かってハウジングの屋根から離れる方向に、下向きに押される。
The device comprises an
幾つかの実施例において、光センサ１２及び光源１４は、装置内で互いに近接して（例えば、隣に）配置され得る。その場合、光センサ１２は、生理学的パラメータセンサ３が接触する被験者の体の部分から反射する光源１４からの光を測定することができる。或いは、光センサ１２及び光源１４は、被験者の体の部分の概ね両側に配置され得る（その場合、光センサ１２は、被験者の体の部分によって透過される（即ち、被験者の体の部分を通過する）光源１４からの光を測定する）。
In some embodiments, the
光源１４及びセンサ要素１２は、ハウジング２０の壁によって定められる空洞内に配置され、フィードバックセンサ７は、空洞の屋根と反対のハウジング２０の底部分に取り付けられる。フィードバックセンサ７は、圧力センサ、例えば、容量センサ、圧電センサ又はひずみセンサである。使用中、フィードバックセンサ７は、生理学的パラメータセンサ３のハウジング２０と使用者の体との間の接触圧力を測定する。コントローラ９は、これらの測定値を処理して、生理学的パラメータセンサ３が使用者の体２に対して動いたか（接触圧力が変化したか）否かを決定する。
The
他の実施例において、フィードバックセンサ７は、（接触圧力が取るに足らないならば）生理学的パラメータセンサ３が使用者の体と接触しているか否かを測定するように、構成される。例えば、フィードバックセンサ７は、光センサ又は電気抵抗を測定するセンサである。コントローラ９は、フィードバックセンサ７の測定値を処理して、生理学的パラメータセンサ３が使用者の体と接触しているか否かを決定するように、構成される。生理学的パラメータセンサ３が使用者の体と接触していないことが決定されるならば、コントローラ９はアクチュエータ５に信号を送信し、生理学的パラメータセンサ３を使用者の体に向かって動かして接触を再構築するためにアクチュエータ５にその位置を調節させる。
In another embodiment, the
他の実施例において、フィードバックセンサ７は、使用中のハウジング２０と被験者２との間の距離を測定するように構成される。
In another embodiment, the
図４は、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体２との間の接触の圧力が制御される実施例を示している。この実施例において、生理学的パラメータセンサ３は、超音波センサである。生理学的パラメータセンサ３は、ハウジング２０と、ハウジング内に配置されるセンサ要素１２とを含む。センサ要素１２は、生理学的パラメータを測定するセンサ、例えば、超音波測定を行う変換器（トランスデューサ）である。センサ要素１２は、ハウジング２０の壁によって定められる空洞内に位置付けられる。アクチュエータ５は、アクチュエータがコントローラ９からの信号に応答して作動させられるときに、アクチュエータがセンサ要素１２に力を加えるよう、センサ要素１２に対して配置される。具体的には、アクチュエータ５は、それが作動設定にあるときに、センサ要素１２と直接的に接触するように、配置される。
FIG. 4 shows an embodiment in which the pressure of contact between the
この実施例において、接触圧力を測定するフィードバックセンサ７は、ハウジングよりもむしろ、センサ要素１２に取り付けられる。
In this example, the
結合部材１９がセンサ要素１２の上に配置され、使用中に使用者の体とインターフェース接続するように配置される。このようにして、センサ要素１２と使用者の体２との間の最小のオフセット（偏心）を維持することが可能である。
A
フィードバックセンサ７は、使用中のセンサ要素１２と使用者の体２との間の接触の圧力を測定するよう配置される。例えば、フィードバックセンサ７は、アクチュエータ５に対するセンサ要素１２の反対側に提供される。全体として、フィードバックセンサ７及び結合部材１９は、使用者の体とインターフェース接続する表面を形成してよい。その表面は実質的に平面的であってよく、或いは、それは特定の体部分、例えば、腕の形状を補完するように湾曲させられてよい。
The
使用中、フィードバックセンサ７は、センサ要素１２と使用者の体２との間の接触圧力を測定する。フィードバックセンサ７は、例えば、容量センサ、ひずみセンサ、又は圧電センサである。接触圧力の変化が検出されるとき、コントローラ９は、アクチュエータ５を調節し、アクチュエータ５の動きは、検出される接触圧力の変化を補償する。接触圧力の減少が検出されるならば、アクチュエータ５は、アクチュエータ５によってセンサ要素に加えられる力が減少させられる作動位置に動かされる。アクチュエータ５によってセンサ要素１２に加えられる力は、生理学的パラメータセンサ３を使用者の体に向かう方向に押す。接触圧力の増大が検出されるならば、アクチュエータ５の位置は、減少させられた力がセンサ要素１２に加えられるように調節される。従って、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体２との間の接触圧力は減少させられる。
During use, the
アクチュエータ５は、作動設定において示されており、アクチュエータ５は、センサ要素１２と接触している。アクチュエータは、アクチュエータ５が最大の作動状態にあるときに、最大の作動力がセンサ要素１２に加えられるように、配置される。アクチュエータ５は、それが（極めて僅かの電圧がアクチュエータに印加される或いは電圧がアクチュエータに印加されない）非作動状態にあるときに、アクチュエータ５がセンサ要素１２と接触しないように、配置されてよい。代替的に、アクチュエータ５は、作動状態及び非作動状態の両方においてセンサ要素１２と接触してよい。代替的に、アクチュエータは、センサ要素１２と取り付けられてよく、作動状態においてアクチュエータがハウジング２０と接触してハウジングに直接的に力を加えるように配置されてよい。
The
図５ａ乃至５ｃは、生理学的パラメータセンサ３自体がフィードバックセンサ７を実施する、他の実施例を示している。換言すれば、生理学的パラメータセンサ３のセンサ要素１２は、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体２との間の相対的な動きを本来的に検知し得る。ある実施例において、生理学的パラメータセンサ３は、被験者の体の部分によって反射される或いは透過される光を用いて、被験者の生理学的パラメータを測定する。よって、これらの実施例において、生理学的パラメータセンサ３は、光を測定する光センサ又は多数の光センサ１２を含む。光センサ又は多数の光センサ１２の各々は、光の特定の波長又は波長の範囲に対して敏感であってよい（即ち、測定してよい）。幾つかの実施例において、生理学的パラメータセンサ３は、１つ又はそれよりも多くの波長の光を出力する１つ又はそれよりも多くの光源１４を含んでよい（（複数の）光センサ１２は、少なくともそれらの波長に対して敏感である）。
5a to 5c show another embodiment in which the
生理学的パラメータセンサ３は、使用者の体２とインターフェース接続するように構成されるハウジング２０を含み、光源１４及び光センサ１２はハウジング２０内に配置される。アクチュエータ５が、ハウジング２０と生理学的パラメータセンサを使用者の体に取り付けるストラップ４との間に設けられる。アクチュエータ５は、アクチュエータ５の位置の調節がハウジング２０に対して力を加えさせるように、ハウジングに対して配置される。
The
図５ａは、使用者の体と接触している生理学的パラメータセンサ３を示している。光源１４はハウジング２０の内側に配置され、生理学的パラメータセンサ３が使用者の体に取り付けられるときに、光源が使用者の体に向かって光を発するように位置付けられている。光は使用者の体２によって部分的に反射させられ、光センサ１２によって検知される。反射させられる光は光センサ１２によって測定され、測定値はコントローラ９（図１）に送信される。光センサ１２によって行われる反射させられる光の測定は、生理学的パラメータを測定するために用いられる。
FIG. 5a shows the
図５ｂは、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体との間の接触が失われているときの生理学的パラメータセンサ３を示している。矢印によって示すように、光源１４によって発せられる光の一部は、使用者の体によって反射させられ、光センサ１２によって検知される。しかしながら、光源１４によって発せられる光の一部は、ハウジング２０と使用者の体との間の間隙を通じて失われる。ハウジングが皮膚から離れる方向に動くと、光センサ１２も皮膚から離れる方向に動き、光センサ１２によって検出される信号強度（振幅又は強さ）は減少し、それはハウジング２０と使用者の体との間の相対的な動きを示す。従って、コントローラ９（図１）は、光の強さの減少の検出後に作動信号を生成するように、構成されてよい。コントローラは、光センサ１２から得られる信号を閾値と比較して、光センサ１２から受信する信号が閾値よりも下であるときにアクチュエータ５を作動させるように、構成される。代替的に、コントローラは、光センサ１２から受信する信号が閾値よりも上であるときにアクチュエータ５を作動させるように、構成されてよい。何故ならば、ハウジング２０外側の周囲光が高いならば、センサ１２は、ハウジング２０が使用者の体との接触を失うときに、光レベルの増大を測定することがあるからである。この場合、装置１は、周囲光レベルを測定する外部光センサ（図示せず）を更に含んでよく、これらの測定値をコントローラに伝達するように構成されてよい。代替的に、光源１４は短期間に亘って中断されてよく、それは光センサ１２がハウジングに入る周囲光を特異に検知することを可能にする。
FIG. 5b shows the
図５ｃは、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体との間の接触が再構築された後の生理学的パラメータセンサ３を示している。アクチュエータ５は作動状態にあり、ハウジング２０に力を加える。アクチュエータ５によってハウジング２０に加えられる力は、生理学的パラメータセンサ３を使用者の体に向かって押されるようにさせる。このようにして、生理学的パラメータセンサ３のハウジング２０と被験者との間の接触が再構築される。
FIG. 5c shows the
接触の関数として光センサ１２によって測定される光レベルの変化が、生理学的パラメータ測定において測定される光レベルの変化と比較されるとき、フィードバック信号は、２つの信号が干渉しないよう、例えば、フィルタを用いて、生理学的パラメータ測定信号から分離されてよい。例えば、生理学的測定値が特定の周波数を有するならば、フィードバック信号は低域フィルタを用いて除去されてよい。
When the change in the light level measured by the
代替的な実施例では、光センサによって測定される信号の振幅又は強さを用いて接触の喪失を示すことの代わりに、コントローラ９（図１）は、特定の波長の光が光センサ１２によって検出されるときに、接触の喪失を確定して(establish)よい。例えば、光源１４がＬＥＤを含むならば、コントローラは、光センサ１２が光源１４のＬＥＤｓの波長と異なる波長を有する光を検知するならば、接触が喪失したことを確定してよい。
In an alternative embodiment, instead of using the amplitude or intensity of the signal measured by the photosensor to indicate loss of contact, the controller 9 (FIG. 1) causes the light of a particular wavelength to be detected by the
幾つかの実施例において、コントローラは、生理学的パラメータセンサ３が用いられている間に、第１の信号をアクチュエータ５に適用し且つ第２の信号を光センサ１２に適用するように、構成される。コントローラは、第１及び第２の信号をモニタリング（監視）し、信号を比較して生理学的パラメータセンサと使用者の体のとの間の接触が危うくされている(compromised)か否かを決定する。コントローラは、生理学的パラメータセンサ３が用いられる全期間を通じて、第１及び第２の信号をアクチュエータ５及び生理学的パラメータセンサ３にそれぞれ送信するように構成されてよい。第１及び第２の信号はＡＣ信号であり、実質的に同じ周波数を有する。使用中、生理学的パラメータセンサと使用者の体との間の接触が危うくされているとき、光源１４からの光はハウジング２０と使用者の体との間の間隙を通じて漏れる。結果的に、第２の信号は変調される。ウェアラブルデバイスが緩くなり始めると、生理学的パラメータセンサ３と使用者の体との間に小さな間隙だけが生じ、従って、少量の光だけがハウジング２０から漏れ出る。この光の小さな漏れは、ＡＣ信号におけるリップル(ripple)として現れる。第１の信号を第２の信号と比較することによって、生理学的パラメータセンサ３が使用者の体との接触を最初に失い始める地点を精密に決定することが可能である。コントローラ９は、使用者の体に対する生理学的パラメータセンサ３の変位の大きさを計算して、計算される変位に基づきアクチュエータ５を駆動させる作動信号を生成するように、構成されてよい。
In some embodiments, the controller is configured to apply the first signal to the
他の実施例において、生理学的パラメータセンサはＥＣＧ測定値を行うためにあり、ＥＣＧセンサを含む。ＥＣＧセンサは、使用中に被験者の体に配置されるように構成される電極である。電極の抵抗は、被験者の体と電極との間の接触圧力によって異なる。従って、ＥＣＧセンサの抵抗は測定されてよく、コントローラは抵抗測定値に従ってアクチュエータ５を調節してよい。例えば、コントローラは、ＥＣＧ電極の測定される抵抗が閾値を超えるならば、アクチュエータを調節するように構成されてよい。
In another embodiment, the physiological parameter sensor is for making ECG measurements and includes an ECG sensor. An ECG sensor is an electrode configured to be placed on the subject's body during use. The resistance of the electrodes depends on the contact pressure between the subject's body and the electrodes. Therefore, the resistance of the ECG sensor may be measured and the controller may adjust the
他の実施例において、生理学的パラメータセンサは超音波測定を行うためにあり、超音波変換器（超音波トランスデューサ）を含む。挿入損失のようなパラメータを生理学的パラメータセンサによって測定して被験者に対する生理学的パラメータセンサの動きを示してよい。コントローラは、このパラメータの測定値に従ってアクチュエータ５の位置を調節するように構成される。例えば、コントローラは、測定される挿入損失が閾値を超えるならば、アクチュエータ５を調節するように構成されてよい。
In another embodiment, the physiological parameter sensor is for making ultrasonic measurements and includes an ultrasonic transducer (ultrasonic transducer). Parameters such as insertion loss may be measured by the physiological parameter sensor to indicate movement of the physiological parameter sensor with respect to the subject. The controller is arranged to adjust the position of the
図６は、アクチュエータ５がフィードバックセンサを含む実施例を示している。それは被験者の手首の周りのセンサを示している。換言すれば、アクチュエータ５は、それ自体、外部条件の変化を検知することができ、アクチュエータが使用者の体２に対する生理学的パラメータセンサ３の動きを検知し得るような方法において、生理学的パラメータセンサ３に対して配置される。
FIG. 6 shows an embodiment in which the
アクチュエータ５は、使用中に使用者の体２と接触するように構成される生理学的パラメータセンサ３に取り付けられる。アクチュエータ５は、第１の部分と、第１の部分の上に配置される第２の部分とを含む。第１の部分５１は電気活性ポリマ材料で作られ、第２の部分は伸張可能なひずみ感応電極５２である。ひずみ感応電極の抵抗力(resistivity)は、ひずみによって異なる。電極の抵抗力の変化は、電極内のひずみが変化したことを示す。
The
図６は、ひずみ感応電極５２についての適用されるひずみ（ｙ軸）の関数としての測定される電圧（ｘ軸）についての曲線３０並びに作動変位（ｙ軸）を印加される電圧（ｘ軸）の関数として示す曲線３２を示している。
FIG. 6 shows the
アクチュエータ５は、被験者の体２に対する生理学的パラメータセンサ３の動きがアクチュエータ５に力を加えるように、従って、アクチュエータの第２の部分５２にひずみを加えるように、生理学的パラメータセンサ３に対して配置される。例えば、アクチュエータの第２の部分５２は、生理学的パラメータセンサ３とアクチュエータ５の第１の部分との間に配置されてよい。
The
使用中、デバイスは、使用者の体に取り付けられ、ＥＡＰは、使用者が静止的であるときに、最大電圧より下の初期電圧及び事前ひずみを有する。電極の抵抗力はモニタリングされる。そして、ＥＰＡアクチュエータの電圧を変更することによって、抵抗力におけるあらゆる変化を補償することができ、ＥＡＰ部分におけるひずみを増大させ或いは減少させ、小さな位置変化を補償するので、生理学的パラメータセンサ３は体２と接触したままである。
During use, the device is attached to the user's body and the EAP has an initial voltage and pre-distortion below the maximum voltage when the user is stationary. The resistance of the electrodes is monitored. Then, by changing the voltage of the EPA actuator, any changes in the resistance force can be compensated, increasing or decreasing the strain in the EAP part and compensating for small position changes, so that the
従って、電極の抵抗力を測定することによって、生理学的パラメータセンサ３が被験者の体２に対して動いたか否かを決定することが可能である。
Therefore, by measuring the resistance of the electrodes, it is possible to determine whether the
ひずみに応答する抵抗力の変化は、電極材料のピエゾ抵抗力(piezoresitivity)に起因する。電極の抵抗力がひずみの変化に応答して変化する量に基づき電極材料を製造し或いは選択し得る。 The change in resistance in response to strain is due to the piezoresistivity of the electrode material. The electrode material may be manufactured or selected based on the amount by which the resistance of the electrode changes in response to changes in strain.
ひずみの変化に対する電極の感度(sensitivity)を最適化するために、電極の幾何学的構成(geometry)が選択されてもよい。ひずみに特に敏感な電極幾何学的構成は、蛇行電極(meandered electrode)(ひずみ計）である。しかしながら、蛇行電極が用いられるならば、電気活性ポリマ部分のアクチュエータ特性の損失を回避するよう、電場が十分に均一であるために、電極の蛇行トラック(meander tracks)の間の距離は、電気活性ポリマ部分の厚さよりも小さくなければならない。 The geometry of the electrodes may be chosen to optimize the sensitivity of the electrodes to changes in strain. An electrode geometry that is particularly sensitive to strain is the meandered electrode (strain gauge). However, if a meandering electrode is used, the distance between the meandering tracks of the electrodes will be electroactive because the electric field is sufficiently uniform to avoid loss of actuator properties in the electroactive polymer portion. It must be smaller than the thickness of the polymer part.
ひずみ感応電極を読むために必要とされる電極は、普通、電気活性ポリマ部分に印加される電圧よりも低い。従って、ひずみモニタリングがアクチュエータ信号から分離される。図７は、電極５２のひずみモニタリングをＥＡＰアクチュエータ層５１に適用されるアクチュエータ信号から分離する回路を示している。回路は、電気的に直列である２つの層５２，５１に電圧を印加するモニタリング電圧源３４を有する。ソース電圧３６がＥＡＰ駆動電圧をもたらす。読出し(readout)は、２つの層５２，５１の間の終端３８にある。
The electrode required to read a strain sensitive electrode is usually lower than the voltage applied to the electroactive polymer portion. Therefore, strain monitoring is separated from the actuator signal. FIG. 7 shows a circuit that separates the strain monitoring of the
電極の抵抗力は、モニタリング電圧を用いて測定される。電極の抵抗力の変化（従って、電極の抵抗の変化）が、電極に亘って測定される電圧の対応する変化を引き起こす。図７の実施例に示されるように、１００オーム（頂部プロット）から５００オーム（底部プロット）への電極５２の抵抗の減少は、２．２Ｖから０．７Ｖの対応する電圧降下を有する。モニタリング電圧は、コントローラを用いて電極に適用される、低電圧のパルス化信号である。
The resistance of the electrodes is measured using the monitoring voltage. Changes in the resistance of the electrodes (and thus changes in the resistance of the electrodes) cause corresponding changes in the voltage measured across the electrodes. As shown in the example of FIG. 7, the reduction in resistance of
作動電圧（Ｖｓｏｕｒｃｅ）とのモニタリング電圧の干渉を回避するために、装置は、最大の作動電圧が第１の部分５１に印加されて、電気活性ポリマ部分が完全に荷電されるときでさえも、電極にモニタリング電圧を印加するように構成される。これは、完全作動で並びに他の作動レベルで、ひずみがモニタリングされるのを可能にする。
In order to avoid interference of the monitoring voltage with the operating voltage (Vsource), the device allows the maximum operating voltage to be applied to the
電気活性ポリマ材料を含むアクチュエータ５を提供することによって、高いレベルの接触制御が達成可能である。何故ならば、電気活性ポリマアクチュエータは薄いからである。これらのアクチュエータの他の利点は、それらが低い電力を用いて作動することである。しかしながら、幾つかの用途において、電気活性ポリマアクチュエータ単独の最大作動は、生理学的パラメータセンサ及び使用者の体の相対的な位置の検出される変化を矯正するのに十分な力を加えないことがある。一般的に、皮膚及び組織は比較的フレキシブルであり、従って、使用者の体と装置のウェアラブル部分との間の密接な接触圧力を維持するのに必要とされる力は高いことがある。
By providing an
図８は、ハウジング２０と、ハウジング内に配置されたセンサ要素１２と、センサ要素の下にあり、使用中に使用者の体２とインターフェース接続するように配置される、結合部材１９と、結合部材１９の両側に配置されるフィードバックセンサ７とを含む、生理学的パラメータセンサ３を示している。デバイスは、生理学的パラメータセンサに力を加えるように配置される付勢部材２１を更に含む。付勢部材２１はバネであり、ハウジングの屋根とセンサ要素１２との間でハウジング２０内に位置付けられる。付勢部材２１及びアクチュエータ５は、同じ方向において生理学的パラメータセンサ３に力を加えるように構成される。付勢部材は、アクチュエータ５によって加えられる力との組み合わせにおいて、使用者の体との所望の接触圧力を構築するのに十分な力をハウジング２０に加えるように、選択され且つ構成される。組み合わせにおいて付勢部材２１及びアクチュエータ５によって加えられる最大の力は、使用者が静止的であるときに被験者と生理学的パラメータセンサ３との間に所要の接触圧力を構築するのに必要とされる力よりも大きい。付勢部材２１及びアクチュエータ５によって加えられる最小の力は、使用者が静止的であるときに被験者と生理学的パラメータセンサ３との間で所要の接触圧力を構築するのに十分である。
FIG. 8 illustrates a
図８は、アクチュエータ５が付勢部材２１と同じ方向において生理学的パラメータセンサに最大の力を加える作動状態におけるアクチュエータ５を示している。アクチュエータ５の位置を変更することによって、付勢部材及びアクチュエータ５によって生理学的パラメータセンサ３に加えられる力は変更される。
FIG. 8 shows the
このようにして、ＥＡＰアクチュエータによって適用され得る力の範囲は、必要とされる力における所要の変動と調和するようにされるが、アクチュエータによって加えられることを必要とする全力を伴わない。 In this way, the range of forces that can be applied by the EAP actuator is made to match the required variation in the required force, but not with the total force that needs to be applied by the actuator.
図９は、図８のデバイスに類似するデバイスを示しており、デバイスは、ハウジング２０と、ハウジング内に配置されるセンサ要素１２とを含む。しかしながら、図９において、付勢部材２１は、アクチュエータ５に対して反対方向において生理学的パラメータセンサ３に力を加えるように配置される。付勢部材２１は、使用者が静止的であるときに被験者２と生理学的パラメータセンサ３との間の所要の接触圧力を構築するのに必要とされる力よりも大きい力を生理学的パラメータセンサ３に加える。最大作動でのアクチュエータ５及び付勢部材によって加えられる組み合わせ力(combined force)は、使用者が静止的であるときに被験者と生理学的パラメータセンサ３との間で所要の接触圧力を構築するのに十分である。
FIG. 9 shows a device similar to the device of FIG. 8, the device including a
図９の構成(arrangement)では、結合部材１９の両側にアクチュエータ５及びフィードバックセンサ７がある。このようにして、使用者が使用者との生理学的パラメータセンサ３の界面（インターフェース）の均一の接触圧力をもたらすのを可能にする指向性制御を提供するのを可能にする。よって、少なくとも２つのセンサ及びアクチュエータのアレイを提供することによって、傾斜制御が可能になる。
In the arrangement of FIG. 9, the
図１０ａ及び１０ｂは、作動信号がアクチュエータ５に送信されて、それを実質的に平坦な設定(flat configuration)から曲がった設定(bowed configuration)に形状を変更させるときに、部分的な局所真空（即ち、圧力減少）がハウジング２０とアクチュエータ５との間で生理学的パラメータセンサ３のハウジング２０の内側に形成されるような方法において、アクチュエータ５が生理学的パラメータセンサ３のハウジング２０内に位置付けられる、構成(arrangement)を示している。この構成は、別個のフィードバックセンサ７（図１）又は統合的なフィードバックセンサ（即ち、生理学的パラメータセンサがフィードバックセンサとしても機能する）を有する生理学的パラメータセンサ３に適している。
10a and 10b show that when an actuation signal is sent to the
ウェアラブルデバイスは、使用者の体部分に取り付けられ、使用者の体部分とデバイスとの間の所望の接触圧力又は分離距離を構築する。次に、フィードバックセンサが使用者の体部分に対するウェアラブルデバイスの動きを検出するならば、コントローラ（図９）はアクチュエータ５に信号を送信し、それを作動位置に移動させる。図１０ａは、被験者２との接触が喪失されたときのデバイスを示している。アクチュエータ５は未だ作動させられていない。
The wearable device is attached to the user's body part to establish a desired contact pressure or separation distance between the user's body part and the device. Then, if the feedback sensor detects movement of the wearable device with respect to the user's body part, the controller (FIG. 9) sends a signal to the
コントローラは、幾らかの変化が検出されるならば、アクチュエータを最大作動位置に移動させるように構成されてよい。代替的に、コントローラは、フィードバックセンサの測定値に基づき、アクチュエータを非作動位置と最大作動位置との間の位置に移動させるように構成されてよい。図１０ｂは、アクチュエータが作動設定にある状態のデバイスを示している。アクチュエータのこの動きは、デバイスのハウジング内に部分真空を形成させる。このようにして、デバイスと使用者の体部分２との間の接触が再構築され或いは改良される。ある実施例では、多数のアクチュエータ５が上述のように位置付けられ、コントローラ９は、多数のアクチュエータ５を同時に作動させるように構成される。
The controller may be configured to move the actuator to the maximum actuated position if any changes are detected. Alternatively, the controller may be configured to move the actuator to a position between a non-actuated position and a maximum actuated position based on the feedback sensor measurements. Figure 10b shows the device with the actuator in the actuated setting. This movement of the actuator creates a partial vacuum within the device housing. In this way, the contact between the device and the user's
幾つかの実施例において、装置は、複数のフィードバックセンサを含む。フィードバックセンサは、使用中に被験者とインターフェース接続するために、ハウジングの部分に沿って設けられてよく、ハウジングの部分は連続的なフィードバックセンサの間に介在する。代替的に、フィードバックセンサは、ハウジングに沿って連続的に設けられてよい。 In some embodiments, the device includes multiple feedback sensors. A feedback sensor may be provided along a portion of the housing for interfacing with the subject during use, the portion of the housing interposed between the continuous feedback sensors. Alternatively, the feedback sensor may be provided continuously along the housing.
幾つかの実施例において、生理学的パラメータセンサと使用者の接触圧力／相対位置は、フィードバックセンサによって測定される接触圧力／相対位置の変化に応答して、アクチュエータによって継続的に調節されてよい。 In some embodiments, the contact pressure / relative position of the physiological parameter sensor and the user may be continuously adjusted by the actuator in response to changes in the contact pressure / relative position measured by the feedback sensor.
装置は、生理学的パラメータセンサの位置を調節するためにコントローラによって制御される複数のアクチュエータを含んでよい。アクチュエータは、一緒に、同時に又は別個に作用するように、制御されてよい。 The device may include a plurality of actuators controlled by the controller to adjust the position of the physiological parameter sensor. The actuators may be controlled to act together, simultaneously or separately.
アクチュエータは、生理学的パラメータセンサのハウジングに力を加えるように配置されてよい。代替的に、アクチュエータは、センサ要素又は生理学的パラメータセンサの任意の他の部分に力を加えるように配置されてよい。 The actuator may be arranged to exert a force on the housing of the physiological parameter sensor. Alternatively, the actuator may be arranged to exert a force on the sensor element or any other part of the physiological parameter sensor.
装置は、複数のフィードバックセンサを含んでよい。各フィードバックセンサは、対応するアクチュエータ又は対応するフィードバックセンサの測定に従って生理学的パラメータセンサの位置を調節するコントローラによって制御される一群のコントローラを有してよい。 The device may include multiple feedback sensors. Each feedback sensor may have a set of controllers controlled by a corresponding actuator or a controller that adjusts the position of the physiological parameter sensor according to the measurement of the corresponding feedback sensor.
生理学的パラメータセンサは、ベルト、接着パッチ、時計を備えてよく、或いは、衣服、ヘッドバンド又はチェストバンド(chest band)の品目として提供されてよい。 The physiological parameter sensor may comprise a belt, an adhesive patch, a watch or may be provided as an item of clothing, headband or chest band.
付勢部材は、任意の種類のバネであってよく、好ましくは、積層バネ(laminated spring)、板バネ(leaf spring)又は板バネ(plate spring)であってよい。 The biasing member may be any type of spring, preferably a laminated spring, leaf spring or plate spring.
ＥＡＰ層に適した材料は知られている。電気活性ポリマは、以下の下位分類、即ち、圧電ポリマ、電気機械ポリマ、リラクサ強誘電性ポリマ、電歪ポリマ、誘電エラストマ、液晶エラストマ、共役ポリマ、イオンポリマ金属複合体、イオンゲル及びポリマゲルを含むが、これらに限定されない。 Suitable materials for the EAP layer are known. Electroactive polymers include the following subclasses: piezoelectric polymers, electromechanical polymers, relaxor ferroelectric polymers, electrostrictive polymers, dielectric elastomers, liquid crystal elastomers, conjugated polymers, ionic polymer metal composites, ionic gels and polymer gels. , But not limited to these.
下位分類の電歪ポリマは、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン−クロロフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン−三フッ化エチレン−クロロトリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフロオロプロピレン（ＰＶＤＦ−ＨＦＰ）、ポリウレタン又はそれらの混合物を含むが、これらに限定されない。 Subclasses of electrostrictive polymers are polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFE), polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene (PVDF-TrFE-CFE), polyfluoride. Includes, but is not limited to, vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene (PVDF-TrFE-CTFE), polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), polyurethane or mixtures thereof.
下位分類の誘電エラストマは、アクリラート、ポリウレタン、シリコーンを含むが、これらに限定されない。 Subclasses of dielectric elastomers include, but are not limited to, acrylates, polyurethanes, silicones.
下位分類の共役ポリマは、ポリピロール、ポリ−３，４−エチレンジオキシチオフェン、ポリ（ｐ−硫化フェニレン）、ポリアニリンを含むが、これらに限定されない。 Subclasses of conjugated polymers include, but are not limited to, polypyrrole, poly-3,4-ethylenedioxythiophene, poly (p-phenylene sulfide), polyaniline.
イオンデバイスは、イオンポリマ−金属複合材（ＩＰＭＣｓ）又は共役ポリマに基づいてよい。イオンポリマ−金属複合材（ＩＰＭＣ）は、印加される電圧又は電場の下で人工的な筋挙動(muscle behaviour)を示す合成複合材ナノマテリアル(synthetic composite nanomaterial)である。 Ionic devices may be based on ionic polymer-metal composites (IPMCs) or conjugated polymers. Ionic polymer-metal composites (IPMCs) are synthetic composite nanomaterials that exhibit artificial muscle behavior under an applied voltage or electric field.
より詳細には、ＩＰＭＣｓは、それらの表面がプラチナ若しくは金のような導体又は炭素ベースの電極で化学的にめっきされ或いは物理的に被覆される、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）及びＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）のような、イオンポリマで構成される。印加される電圧の下で、ＩＰＭＣｓのストリップ(strip)に亘る与えられる電圧に起因する移動(migration)及び再分配(redistribution)は、曲げ変形(bending deformation)をもたらす。ポリマは、溶剤膨潤イオン交換ポリマ膜(solvent swollen ion-exchange polymer membrane)である。磁場は陽イオンを水と共にカソード側に移動させる。これは親水性クラスタの再組織化及びポリマ膨張を引き起こす。カソード領域におけるひずみは、ポリママトリクスの残余における応力を引き起こして、アノードに向かう曲げをもたらす。印加される電圧を逆転させることは、曲げを逆転させる。 More specifically, IPMCs are of Nafion® and Flemion®, whose surfaces are chemically plated or physically coated with conductors such as platinum or gold or carbon-based electrodes. , Composed of an ionic polymer. Under the applied voltage, the migration and redistribution due to the applied voltage across the strip of IPMCs results in bending deformation. The polymer is a solvent swollen ion-exchange polymer membrane. The magnetic field causes positive ions to move with the water toward the cathode side. This causes reorganization of hydrophilic clusters and polymer swelling. Strains in the cathode region cause stresses in the rest of the polymer matrix, causing bending towards the anode. Reversing the applied voltage reverses the bending.
めっきされた電極が非対称的な設定(configuration)において配置されるならば、付与される電圧は、よじれ(twisting)、転動(rolling)、ねじれ(torsioning)、回転(turning)、及び非対称的な曲げ変形(non-symmetric
bending deformation)のような、全ての種類の変形を誘発し得る。
If the plated electrodes are placed in an asymmetrical configuration, the applied voltage will be twisted, rolled, twisted, turned, and asymmetrical. Bending deformation (non-symmetric
Bending deformation) can be induced.
これらの実施例の全てにおいて、印加される電場に応答するＥＡＰ層の電気的及び／又は化学的な挙動に影響を与えるために、追加的な受動層（パッシブ層）が設けられてよい。 In all of these embodiments, additional passive layers may be provided to influence the electrical and / or chemical behavior of the EAP layer in response to an applied electric field.
各ユニットのＥＡＰ層は、電極の間に挟装されてよい。電極は、それらがＥＡＰ材料層の変形に従うように、伸張可能であってよい。電極に適した材料も知られており、例えば、金、銅、若しくはアルミニウムのような薄い金属膜、又はカーボンブラック、カーボンナノチューブ、グラフェン、ポリアニリン（ＰＡＮＩ）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、例えば、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホナート）（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）で構成される群から選択されてよい。例えば、アルミニウム被膜を用いる金属化ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）のような金属化ポリエステル膜が用いられてもよい。 The EAP layer of each unit may be sandwiched between electrodes. The electrodes may be stretchable so that they follow the deformation of the layer of EAP material. Suitable materials for the electrodes are also known, for example thin metal films such as gold, copper or aluminum, or carbon black, carbon nanotubes, graphene, polyaniline (PANI), poly (3,4-ethylenedioxythiophene. ) (PEDOT), for example poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrenesulfonate (PEDOT: PSS). For example, a metallized polyester film such as metallized polyethylene terephthalate (PET) with an aluminum coating may be used.
請求する発明を実施する当業者は、図面、本開示、及び付属の請求項の研究から、開示の実施例に対する他の変形を理解し且つ実施し得る。請求項において、「含む」という用語は、他の要素又はステップを排除せず、単数形の表現は、複数を排除しない。特定の手段が相互に異なる従属項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせを有利に用い得ないことを示さない。請求項中の如何なる参照符号も、範囲を限定するものと解釈されてならない。 Those skilled in the art in practicing the claimed invention will understand and be able to practice other variations to the disclosed embodiments, from a study of the drawings, the present disclosure, and the appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and singular expressions do not exclude a plurality. The mere fact that certain measures are recited in mutually different dependent claims does not indicate that a combination of these measures cannot be used to advantage. Any reference signs in the claims shall not be construed as limiting the scope.
Claims (13)
− 前記被験者に対する前記生理学的パラメータセンサの位置を調節する電気活性ポリマ材料部分を含むアクチュエータと、
− 前記被験者に対する前記生理学的パラメータセンサの動きを測定するフィードバックセンサと、
− 前記フィードバックセンサの測定値を処理して、前記フィードバックセンサの前記測定値に基づき前記生理学的パラメータセンサの位置を調節するよう前記アクチュエータを制御するように構成される、コントローラとを含み、
前記アクチュエータは、前記生理学的パラメータセンサに力を加えることによって前記被験者に対する前記生理学的パラメータセンサの位置を調節するように構成され、
前記フィードバックセンサは、前記生理学的パラメータセンサと前記被験者との間の距離の変化を測定するように構成される、
ウェアラブルセンサ装置。 - a physiological parameter sensor configured a physiological parameter sensor for measuring a physiological parameter of a subject is mounted by the subject,
An actuator including a portion of electroactive polymer material that adjusts the position of the physiological parameter sensor with respect to the subject;
- a feedback sensor which measures the movement of the physiological parameter sensor to said subject,
A controller configured to process a measurement of the feedback sensor and control the actuator to adjust the position of the physiological parameter sensor based on the measurement of the feedback sensor.
The actuator is configured to adjust the position of the physiological parameter sensor with respect to the subject by applying a force to the physiological parameter sensor ,
The feedback sensor is configured to measure a change in distance between the physiological parameter sensor and the subject .
Wearable sensor device.
− 内部領域を定める壁を有するハウジングと、
− 該ハウジングの前記内部領域の内側に配置されるセンサ要素とを含み、
前記フィードバックセンサは、前記被験者に対する前記ハウジングの動きを測定するように構成される、
請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載のウェアラブルセンサ装置。 The physiological parameter sensor is
-A housing having a wall defining an interior area;
A sensor element disposed inside the interior region of the housing,
The feedback sensor is configured to measure movement of the housing with respect to the subject.
The wearable sensor device according to any one of claims 1 to 3 .
− 内部領域を定める壁を有するハウジングと、
− 該ハウジングの前記内部領域内に配置される光源と、
− 前記ハウジングの前記内部領域の内側に配置される光センサとを含み、
前記コントローラは、前記光センサからの信号を処理して、前記光センサの前記信号に基づき前記アクチュエータの位置を調節するように構成される、
請求項５に記載のウェアラブルセンサ装置。 The physiological parameter sensor is
-A housing having a wall defining an interior area;
A light source arranged in the interior region of the housing,
An optical sensor disposed inside the interior region of the housing,
The controller is configured to process a signal from the photosensor to adjust a position of the actuator based on the signal of the photosensor.
The wearable sensor device according to claim 5 .
該信号生成器は、
− 第１の周波数を有する、検知における使用のための、第１の電気的に交流する信号を生成し、
− 第２の周波数を有する、作動における使用のための、第２の電気的に交流する信号を生成し、
− 前記第１の電気的に交流する信号を前記生理学的パラメータセンサに適用し、
− 前記第２の電気的に交流する信号を前記アクチュエータに適用する
ように構成され、
前記第２の周波数は、前記第１の周波数と実質的に同じであり、
当該ウェアラブルセンサ装置は、前記第１の電気的に交流する信号と前記第２の電気的に交流する信号との間の差を検出する検出器を更に含む、
請求項６又は７に記載のウェアラブルセンサ装置。 -Further comprising a signal generator,
The signal generator is
Producing a first electrically alternating signal for use in sensing, having a first frequency,
Producing a second electrically alternating signal having a second frequency for use in operation,
Applying the first electrically alternating signal to the physiological parameter sensor,
-Is configured to apply the second electrically alternating signal to the actuator,
The second frequency is substantially the same as the first frequency,
The wearable sensor device further includes a detector that detects a difference between the first electrically alternating signal and the second electrically alternating signal.
The wearable sensor device according to claim 6 or 7 .
当該ウェアラブルセンサ装置は、
− 前記アクチュエータの前記電気活性ポリマ材料部分に第１の電圧を印加するように配置される第１の電力源又は電圧源と、
− 前記アクチュエータの前記ひずみ感応電極部分に第２の電圧を印加するように配置される第２の電力源又は電圧源とを更に含み、
前記コントローラは、前記ひずみ感応電極部分の抵抗力の変化を測定して、該測定される抵抗力の変化に基づき前記アクチュエータの位置を調整するように構成される、
請求項１に記載のウェアラブルセンサ装置。 The actuator further includes a strain sensitive electrode portion disposed on the electroactive polymer material portion,
The wearable sensor device is
A first power or voltage source arranged to apply a first voltage to the electroactive polymer material portion of the actuator;
A second power or voltage source arranged to apply a second voltage to the strain sensitive electrode portion of the actuator,
The controller is configured to measure a change in resistance of the strain sensitive electrode portion and adjust the position of the actuator based on the measured change in resistance.
The wearable sensor device according to claim 1.
（ｉ）前記フィードバックセンサを用いて信号を得るステップと、
（ｉｉ）前記フィードバックセンサの前記信号に基づき、前記生理学的パラメータセンサが前記被験者に対して動いたか否かを決定するステップと、
（ｉｉｉ）前記生理学的パラメータセンサが前記被験者に対して動いたならば、前記測定された動きに従って前記アクチュエータの位置を調節するステップとを含み、
前記アクチュエータは、前記アクチュエータが前記生理学的パラメータセンサに力を加えるよう、前記生理学的パラメータセンサと直接的に接触するように調節される、
方法。 A method for measuring a physiological parameter using the wearable sensor device according to any one of claims 1 to 10,
(I) obtaining a signal using the feedback sensor,
(Ii) determining, based on the signal of the feedback sensor, whether the physiological parameter sensor has moved with respect to the subject;
(Iii) adjusting the position of the actuator according to the measured movement if the physiological parameter sensor moves relative to the subject.
The actuator is adjusted to directly contact the physiological parameter sensor so that the actuator exerts a force on the physiological parameter sensor,
Method.
（ｉｖ）第１の周波数を有する第１の交流信号を前記アクチュエータに適用するステップと、
（ｖ）第２の周波数を有する第２の交流信号を前記生理学的パラメータセンサに適用するステップであって、前記第２の周波数は、前記第１の周波数と同じである、ステップと、
（ｖｉ）前記第１の交流信号及び前記第２の交流信号を比較して、前記生理学的パラメータセンサが動いたか否かを決定するステップとを含む、
請求項１１又は１２に記載の方法。 The method further comprises
(Iv) applying a first AC signal having a first frequency to the actuator;
(V) applying a second alternating signal having a second frequency to the physiological parameter sensor, the second frequency being the same as the first frequency;
(Vi) comparing the first AC signal and the second AC signal to determine if the physiological parameter sensor has moved.
The method according to claim 11 or 12 .
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